A espuma de poliuretano (espuma de PU) consiste principalmente em poliuretano como componente principal. As matérias-primas incluem principalmente poliisocianatos e polióis, com adição de diversos aditivos, sendo os mais importantes uma série de agentes espumantes relacionados ao processo de formação de espuma. Estes aditivos levam à produção de uma quantidade significativa de espuma dentro do produto de reação, resultando em produtos de espuma de poliuretano. Este artigo fornece uma breve visão geral das matérias-primas utilizadas na produção de espuma PU e dos agentes espumantes.


1.Poliisocianatos


Os poliisocianatos mais comumente usados ​​na produção industrial de espumas de poliuretano incluem diisocianato de tolueno (TDI), isocianato de polimetileno polifenil (PAPI), diisocianato de difenilmetano (MDI) e MDI líquido (L-MDI).



TDI


O TDI é utilizado principalmente na produção de espumas flexíveis de poliuretano. O MDI tem maior reatividade que o TDI, menor volatilidade e algumas formas modificadas de MDI podem ser usadas como substitutos do TDI na produção de espumas flexíveis de poliuretano, incluindo espuma de poliuretano de alta densidade e na fabricação de elastômeros de poliuretano semirrígidos ou microcelulares.


O PAPI, também conhecido como MDI bruto ou MDI polimerizado, normalmente tem um peso molecular médio variando de 30 a 400, com um teor de NCO de 31% a 32%. No campo de espumas plásticas, o PAPI e o PAPI modificado são usados ​​principalmente para produzir várias espumas rígidas de poliuretano, sendo alguns também usados ​​na produção de espumas flexíveis de alto rebote, espumas de pele integral e espumas semirrígidas. PAPI pode ser misturado com TDI para fabricar espumas plásticas de cura a frio e alto rebote.


2. Poliéter e polióis de poliéster


2.1 Poliéter Polióis


Os poliéter polióis usados ​​para produzir espumas flexíveis de poliuretano são geralmente poliéteres de cadeia longa e de baixa funcionalidade. Na formulação de espumas flexíveis, a funcionalidade dos poliéter polióis geralmente fica entre 2 e 3, com peso molecular médio variando de 2.000 a 6.500. Os poliéter trióis são mais comumente usados ​​em espumas flexíveis, tipicamente iniciados com glicerol (propano-1,2,3-triol) e obtidos através de polimerização por abertura de anel com 1,2-epóxi propano ou copolimerização com uma pequena quantidade de óxido de etileno, com um peso molecular geralmente situado na faixa de 3.000 a 7.000.



Poliéter Polióis


Os poliéter polióis de alta atividade são usados ​​principalmente para espumas flexíveis de alto rebote e podem ser usados ​​na produção de espumas semirrígidas e outros produtos de espuma. Alguns poliéter dióis podem ser usados ​​como materiais auxiliares, misturados com poliéter trióis em formulações de espuma flexível. Polióis poliéteres de baixa insaturação e alto peso molecular são usados ​​para a produção de espumas macias, reduzindo a quantidade de TDI necessária.


Os poliéter polióis usados ​​em formulações de espuma rígida são geralmente poliéter polióis de alta funcionalidade e alto valor de hidroxila para obter reticulação e rigidez suficientes. O valor hidroxila dos poliéter polióis para formulações de espuma rígida está normalmente na faixa de 350 a 650 mg KOH/g, com uma funcionalidade média de 3 ou superior. As formulações de espuma rígida geralmente usam uma combinação de dois tipos de poliéter polióis, com um valor médio de hidroxila de cerca de 4.000 mg KOH/g.


As formulações de espuma semirrígida geralmente usam alguns poliéteres de alto peso molecular, especialmente poliéter trióis de alta atividade, e alguns poliéter polióis de alta funcionalidade e baixo peso molecular de formulações de espuma rígida.

2.2 Polióis de poliéster


Polióis de poliéster alifáticos de baixa viscosidade, tais como adipato dióis de hexanodiol com um valor de hidroxila de aproximadamente 56 mg KOH/g, ou polióis de poliéster ligeiramente ramificados, podem ser usados ​​para produzir espumas flexíveis de poliuretano à base de poliéster. Os polióis poliéster têm alta reatividade. Atualmente, o bloco de espuma de poliuretano feito de poliéster é utilizado apenas em algumas áreas, como materiais auxiliares para roupas.



Polióis Poliéster


Polióis poliéster aromáticos, sintetizados a partir de ácidos dicarboxílicos (como anidrido ftálico, ácido tereftálico, etc.) e dióis de moléculas pequenas (como etilenoglicol, etc.) ou polióis, são usados ​​para produzir espumas rígidas de poliuretano e espumas rígidas de poliisocianurato. Polióis de poliéster com baixo valor de hidroxila derivados de anidrido ftálico também podem ser usados ​​para espumas flexíveis de alto rebote, espumas de pele integral, espumas semirrígidas e materiais de poliuretano sem espuma.

2.3 Polióis Polímeros


Polióis poliméricos, incluindo estireno rígido, homopolímeros de acrilonitrila, copolímeros e polímeros enxertados, atuam como "enchimentos" orgânicos para melhorar o desempenho de suporte de carga. Os polióis poliméricos são usados ​​na produção de espumas de bloco flexíveis de alta dureza, espumas de alto rebote, espumas termoplásticas flexíveis, espumas semirrígidas, espumas autodescascáveis ​​e produtos moldados por injeção de reação (RIM). Eles podem reduzir a espessura do produto, diminuir a densidade da espuma para reduzir custos, aumentar a abertura das células de espuma plástica e conferir propriedades retardantes de chama aos produtos.



Polióis Polímeros


Os polióis de poliureia (dispersões PHD) são uma classe especial de polióis modificados com polímeros usados ​​em espumas flexíveis de alto rebote, espumas semirrígidas e espumas macias, mas sua presença no mercado é limitada.


Existem também alguns polióis especiais usados ​​para a produção de espumas de poliuretano, como polióis à base de óleo vegetal, polióis poliéster à base de colofônia e poliésteres poliméricos. Eles não são descritos em detalhes neste artigo.

Na produção industrial moderna, a espuma flexível de poliuretano desempenha um papel importante em diversas áreas, como móveis, assentos automotivos e palmilhas de calçados. No entanto, os principais pontos de controle técnico para a produção de produtos plásticos de espuma flexível de poliuretano de alta qualidade não podem ser negligenciados. Aqui estão vários pontos técnicos importantes no processo de produção:



Controle de Diisocianato de Tolueno (TDI):


A proporção isomérica ideal de TDI é 80/20. Se esta proporção for ultrapassada, pode levar à formação de células grandes e fechadas na espuma, prolongando o tempo de cura. Particularmente na produção de produtos de espuma de baixa densidade em blocos grandes, uma proporção isomérica excessiva pode atrasar a liberação de calor, potencialmente fazendo com que a temperatura central da espuma permaneça alta por um longo tempo, levando à carbonização e até mesmo à ignição. Se a proporção isomérica for muito baixa, a densidade e a resiliência do produto de espuma diminuirão e podem aparecer rachaduras finas na superfície da espuma, resultando em baixa repetibilidade do processo.



Adição de agentes de expansão externos:


Agentes de expansão externos (água) não apenas reduzem a densidade da espuma, mas também melhoram a maciez do produto e ajudam a remover o calor da reação. Para evitar a carbonização central no processo de formação de espuma de produtos de espuma de grandes blocos, geralmente é adicionada uma certa quantidade de água. Contudo, à medida que a quantidade de água aumenta, a quantidade de catalisador também deverá aumentar correspondentemente; caso contrário, poderá prolongar o tempo de pós-cura da espuma. Geralmente, para cada aumento de 5 partes de água, devem ser adicionadas 0,2 a 0,5 partes de óleo de silicone.



Razão Catalisadora:


Catalisadores orgânicos de estanho e amina terciária são comumente usados ​​para controlar as reações NCO-OH e NCO-H2O. Ajustando a proporção de diferentes catalisadores, o crescimento das cadeias poliméricas e a reação de formação de espuma podem ser controlados. Sob certas densidades de produto, a escolha da proporção de catalisador apropriada pode controlar a taxa de células abertas da espuma, o tamanho das células e o valor da carga vazia. Aumentar a quantidade de catalisador de estanho orgânico geralmente pode produzir espumas com tamanhos de células menores, mas o uso excessivo pode aumentar a taxa de células fechadas. É necessário determinar a dosagem ideal de catalisador através de experimentos para alcançar o melhor desempenho dos produtos de espuma.



Estabilizadores de Espuma:


O papel dos estabilizadores de espuma é reduzir a tensão superficial do material, tornando a parede do filme de espuma elástica e evitando a ruptura da parede da espuma até que o crescimento da cadeia molecular e as reações de reticulação levem à solidificação do material. Portanto, os estabilizadores de espuma desempenham um papel crítico na produção de esponjas de poliéter de uma etapa e seu uso deve ser rigorosamente controlado.



Controle de temperatura:


A reação de geração de espuma é altamente sensível à temperatura, e mudanças no material e na temperatura da formação de espuma afetarão as operações de formação de espuma e as propriedades físicas. Portanto, o controle da temperatura é uma das condições importantes para garantir processos de formação de espuma estáveis. A temperatura do material é geralmente controlada a 20-25
°
C.



Velocidade e tempo de agitação:


A velocidade e o tempo de agitação afetam a quantidade de energia aplicada durante o processo de formação de espuma. Se a agitação for irregular, um grande número de bolhas pode aparecer na superfície da espuma, causando defeitos como rachaduras. Durante a mistura do Componente A, a velocidade é de 1000 r/min; depois que o Componente B é adicionado ao Componente A, a velocidade de agitação em alta velocidade é de 2800-3500 r/min por 5-8 segundos.



Em resumo, as principais tecnologias para a produção de espuma flexível de poliuretano incluem o controle de TDI, a adição de agentes de expansão externos, o ajuste das proporções do catalisador, o uso de estabilizadores de espuma, o controle de temperatura e o controle da velocidade e do tempo de agitação. O controle adequado desses parâmetros técnicos pode garantir a produção de produtos plásticos de espuma flexível de poliuretano de qualidade estável e alto desempenho.

O plástico de espuma macia de poliuretano é um dos produtos importantes na indústria de poliuretano. A sua produção envolve necessariamente a utilização de catalisadores de aminas orgânicas, especialmente catalisadores de aminas terciárias orgânicas. Isso ocorre porque os catalisadores de aminas terciárias orgânicas desempenham um papel significativo nas principais reações de formação de espuma de poliuretano: as reações de dióxido de carbono e de polimerização molecular, promovendo rápida expansão das misturas reacionais, aumento da viscosidade e aumento acentuado do peso molecular do polímero. Essas condições são essenciais para a formação de corpos de espuma, garantindo que as espumas plásticas macias tenham vantagens como baixa densidade, alta relação resistência-peso, alta resiliência e conforto para sentar e deitar. Existem muitos tipos de catalisadores de aminas orgânicas que podem ser usados ​​para plásticos de espuma macia de poliuretano. Entre eles, os catalisadores altamente eficientes reconhecidos por diversos fabricantes são: trietilenodiamina (TDEA) e éter bis(dimetilaminoetílico) (referido como A1). Estes também são os catalisadores de aminas orgânicas mais utilizados no mundo atualmente, com o maior consumo entre vários catalisadores.



Devido às diferenças estruturais moleculares entre os catalisadores TDEA e A1, existem diferenças significativas no seu desempenho catalítico, particularmente nas suas reações ao gás dióxido de carbono e na polimerização molecular. Se o usuário não prestar atenção a essas diferenças na produção, não apenas deixará de produzir produtos de espuma qualificados, mas também será difícil a formação de corpos de espuma. Portanto, compreender e dominar as diferenças de desempenho entre estes dois catalisadores na produção de espuma de poliuretano é de grande importância. O TDEA existe no estado sólido em condições normais, tornando sua aplicação menos conveniente. Na produção real, compostos alcoólicos de baixo peso molecular são comumente usados ​​como solventes, formulados em soluções de 33% para facilidade de uso, comumente chamados de A33. Por outro lado, A1 é um líquido de baixa viscosidade que pode ser aplicado diretamente. Abaixo está uma comparação das diferenças de desempenho catalítico entre A1 e A33 na produção de plásticos de espuma macia de poliuretano.



A33 tem 60% de função catalítica para a reação com gás dióxido de carbono e 40% de função catalítica para polimerização molecular. Possui uma baixa taxa efetiva de utilização de gás dióxido de carbono, resultando em menor altura de formação de espuma e maior densidade de espuma. Como a maior parte da função catalítica é usada para reações de polimerização molecular, é fácil produzir corpos de espuma de células fechadas, que são rígidos e com baixo rebote, e a faixa ajustável de catalisadores de estanho torna-se mais estreita. Para atingir a mesma função catalítica, a quantidade utilizada é 33% maior que A1. Tanto a camada inferior quanto a externa do corpo de espuma são mais espessas. Aumentar a quantidade pode aumentar a velocidade da reação, mas a quantidade de catalisador de estanho deve ser reduzida em conformidade, caso contrário serão produzidos corpos de espuma de células fechadas.



A1 tem uma função catalítica de 80% para a reação com gás dióxido de carbono e uma função catalítica de 20% para polimerização molecular. Possui uma alta taxa efetiva de utilização de gás dióxido de carbono, resultando em maior altura de formação de espuma e menor densidade de espuma. Como a maior parte da função catalítica é usada para reações de geração de gás, é fácil produzir corpos de espuma de células abertas, que são macios e com alto rebote, e a faixa ajustável de catalisadores de estanho torna-se mais ampla. Para atingir a mesma função catalítica, a quantidade utilizada é inferior a A33. Tanto a camada inferior quanto a externa do corpo de espuma são mais finas. Aumentar a quantidade pode aumentar a velocidade da reação, mas a quantidade de catalisador de estanho deve ser aumentada de acordo, caso contrário pode ocorrer excesso de espuma e rachaduras.



Em termos de desempenho geral entre TDEA e A1, A1 tem um desempenho catalítico abrangente mais alto do que a trietilenodiamina. Seus efeitos reais de aplicação também são melhores, embora não tão convenientes quanto a trietilenodiamina em termos de transporte e armazenamento. Atualmente, a grande maioria das instalações mecânicas de produção contínua de espuma utiliza quase exclusivamente A1, enquanto todas as instalações de produção de espuma tipo caixa utilizam TDEA. No entanto, isso não é absoluto. Com uma compreensão clara das diferenças entre os dois e ajustes apropriados na formulação, eles podem ser intercambiáveis ​​e ambos podem produzir excelentes produtos de espuma.

Os surfactantes usados ​​para estabilização de espuma, também conhecidos como estabilizadores de espuma, são um aditivo crucial na produção de espumas plásticas de poliuretano. Ao selecionar surfactantes, quais fatores devem ser considerados?



Os surfactantes podem ser divididos em dois tipos: surfactantes de espuma macia e surfactantes de espuma dura. Vamos examinar cada:



Surfactantes de espuma macia:


Durante o estágio inicial de formação de espuma, os surfactantes de espuma macia podem se dissolver para formar poliureia e, nos estágios posteriores, podem auxiliar na abertura e ruptura das células. Portanto, ao selecionar surfactantes de espuma macia, os seguintes fatores precisam ser considerados:



1
A atividade do surfactante;


2
A relação entre a faixa operacional do surfactante e a faixa de dosagem necessária;


3
O impacto dos vários componentes do surfactante na faixa operacional.



Surfactantes de espuma dura:


Os surfactantes de espuma dura apresentam um maior grau de reticulação, tornando as bolhas mais estáveis. Eles são comumente usados ​​para produtos moldados ou espuma em cavidades restritas. Ao selecionar surfactantes de espuma dura, os seguintes fatores precisam ser considerados:



1
Forte capacidade de emulsificação dos componentes da matéria-prima;


2
Capacidade de controlar eficazmente o tamanho das células espumosas;


3
Capacidade de melhorar a fluidez do material e garantir distribuição uniforme de densidade.



Os surfactantes não apenas desempenham um papel na estabilização da espuma, mas também afetam a densidade, elasticidade, resistência à tração e outras propriedades da espuma. Portanto, ao escolher os surfactantes, fatores como a atividade das matérias-primas, as condições operacionais e o processo de formação de espuma precisam ser considerados.

O que é espuma rígida de poliuretano?



A espuma rígida de poliuretano, muitas vezes abreviada como espuma rígida de PU, é um dos produtos de poliuretano mais comumente usados, perdendo apenas para a espuma macia de poliuretano, em aplicações de poliuretano. A espuma rígida de poliuretano é principalmente uma estrutura de células fechadas, conhecida por seu excelente isolamento, leveza, alta relação resistência-peso, facilidade de construção, bem como isolamento acústico, absorção de choque, isolamento elétrico, resistência ao calor, resistência ao frio, resistência a solventes , e mais. É amplamente utilizado nas camadas de isolamento de caixas de refrigeradores e freezers, câmaras frigoríficas, caminhões refrigerados, bem como materiais de isolamento para edifícios, tanques e tubulações. Uma pequena quantidade é usada em aplicações não isolantes, como imitações de madeira e materiais de embalagem. Geralmente, a espuma rígida de poliuretano de baixa densidade é usada principalmente como material de isolamento térmico, enquanto a espuma rígida de poliuretano de alta densidade pode ser usada como material estrutural (imitação de madeira).



A espuma rígida de poliuretano normalmente é espumada à temperatura ambiente, com um processo de moldagem relativamente simples. Pode ser categorizada em espumação manual e espumação mecânica com base no grau de mecanização da construção; formação de espuma de alta pressão e formação de espuma de baixa pressão com base na pressão de formação de espuma; e moldagem de espuma e pulverização de espuma com base no método de moldagem.



O que é espuma macia de poliuretano?



A espuma macia de poliuretano, também conhecida como espuma macia de PU, é um tipo de espuma flexível de poliuretano com certo grau de elasticidade. É o produto de poliuretano mais utilizado entre todos os produtos de poliuretano.



A espuma macia de poliuretano é principalmente uma estrutura de células abertas, caracterizada por baixa densidade, boa recuperação elástica, absorção sonora, respirabilidade e propriedades de isolamento. É usado principalmente como material de amortecimento para móveis, colchões, almofadas de assento de veículos e também encontra aplicações industriais e domésticas como materiais de filtro, materiais de isolamento acústico, materiais de absorção de choque, materiais decorativos, materiais de embalagem e materiais de isolamento. Com base no grau de suavidade e capacidade de carga, a espuma macia de poliuretano pode ser dividida em espuma macia comum, espuma supermacia, espuma macia de alta carga, espuma macia de alta resiliência, etc. Espumas macias de alta resiliência e alta capacidade de carga são geralmente usadas na fabricação de almofadas de assento e colchões. De acordo com o processo de produção, a espuma macia de poliuretano pode ser dividida em espuma em bloco e espuma moldada. A espuma em bloco é produzida por processo contínuo para formar espuma de grande volume que é então cortada nos formatos necessários, enquanto a espuma moldada é produzida por injeção direta da mistura em moldes para formar produtos de espuma com os formatos desejados.



Depois de compreender a espuma rígida de poliuretano e a espuma macia de poliuretano, surge a pergunta: como diferenciar as duas?



Na verdade, a classificação pode ser baseada no grau de dureza, dividindo-os em espumas plásticas macias e plásticos duros. Os plásticos de espuma macia têm um componente de polímero de matriz acima do ponto de fusão cristalino ou, se for um polímero amorfo, está acima da temperatura de transição vítrea; a espuma dura, por outro lado, tem seu polímero de matriz em estado cristalino ou amorfo, mas abaixo da temperatura de transição vítrea. A espuma semirrígida é uma espuma plástica entre a espuma macia e a dura. É semelhante à espuma macia, com uma taxa de células abertas acima 90

℃

, mas a espuma semirrígida tem maior densidade e maior resistência à compressão. Após a deformação por compressão, a espuma semirrígida leva muito mais tempo para se recuperar e sua densidade de reticulação é muito maior que a da espuma macia, mas menor que a da espuma dura.



Com base nesta classificação de suavidade e dureza, a maioria das espumas de poliolefina, espumas de cloreto de polivinila (PVC) não plastificadas, espumas fenólicas, espumas de policarbonato e espumas de éter de polifenileno são todas classificadas como espumas duras, enquanto espumas elásticas de poliuretano e algumas espumas de poliolefina e espumas de PVC plastificadas são classificados como espumas macias.



De acordo com a norma nacional, os plásticos de espuma macia são aqueles que são flexíveis, apresentam baixa dureza à compressão, retornam ao seu estado original após o alívio da tensão e apresentam deformação residual mínima. Por outro lado, os plásticos de espuma dura são inflexíveis, possuem alta dureza à compressão, deformam-se quando a tensão atinge um certo nível e não retornam ao seu estado original após o alívio da tensão.



A Sociedade Americana de Testes e Materiais (ASTM) especifica que para diferenciar entre espumas plásticas macias e duras, a uma temperatura de 18-29

℃

, uma haste com diâmetro de 2,5 cm é girada em torno dela por uma rotação completa em 5 segundos. Se não fraturar, é classificado como espuma plástica macia; caso contrário, é classificado como espuma plástica dura.



De acordo com as normas ISO, quando a deformação por compressão atinge 50% e depois é liberada, se a espessura não diminuir mais que 2% em relação à espessura original, é classificado como espuma plástica macia. Se diminuir mais de 10%, é classificado como plástico de espuma dura. Se a diminuição estiver entre 2-10%, é classificado como espuma plástica semirrígida.



Se usarmos o módulo de elasticidade como critério, em um ambiente padrão de 23

℃

e 50% de umidade relativa, uma espuma plástica com módulo de elasticidade superior a 686 MPa é classificada como espuma dura, inferior a 68,6 MPa é classificada como espuma macia e entre 68,6-686 MPa é classificada como espuma semirrígida. Embora o módulo de elasticidade da espuma semirrígida seja superior ao da espuma macia, o seu comportamento tensão-deformação é mais próximo do da espuma macia e significativamente diferente da espuma dura. Geralmente, os plásticos de espuma macia têm principalmente uma estrutura de células abertas, enquanto os plásticos de espuma duros têm principalmente uma estrutura de células fechadas, mas há exceções.